CN106851894B - 激光电源装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种激光电源装置。该激光电源装置具有电源单元(10)和发光单元(50)，该电源单元(10)具有被输入交流电压的电压输入部(11‑13)、整流电路(20)以及多个子开关调节器部(30A、30B)，多个子开关调节器部与整流电路的输出并联连接，发光单元具有多个子发光单元(50A、50B)，各子发光单元具有一列发光元件列，从多个子开关调节器部分别向一列发光元件列提供电流，各子开关调节器部具有开关电路(31A、31B)、平滑电路、检测输出电流的电流检测电路(34A、34B)、以及基于电流指令值和检测出的输出电流来控制开关电路的控制电路(35A、35B)。

Description

激光电源装置
技术领域
本发明涉及一种激光电源装置，特别是涉及一种低价且破损的影响小的激光电源装置。
背景技术
激光电源装置具有向激光振荡器提供激励光的发光部(空腔单元)以及用于向空腔单元提供电流来对多个发光元件的发光进行控制的电源单元。一般来说，空腔单元具有多个发光元件。作为电源单元的电路结构，已知一种包括整流电路、开关电路、平滑电路、电流检测电路、控制电路的开关调节器。开关调节器的电路的部件安装在印刷电路板上，该印刷电路板被壳体框包围，激光电源装置的制造、破损时的修理更换是以电源单元为单位进行处理的。在激光电源装置中，利用整流电路对向电源单元的电压输入部提供的电压(例如AC200V)进行整流，之后，利用开关电路和平滑电路转换为DC电压，向空腔单元的多个发光元件提供电流，由电流检测电路检测其电流值。针对来自电流指令部的电流指令值，对电流值进行反馈控制以使该电流值为固定。
一般来说，LED(Light Emitting Diode：发光二极管)、半导体激光器等发光元件输出的光强度(光功率)与电流相应地发生变化。发光元件的端子间(正方向)电压Vf的特性与制造偏差、温度等环境要因相应地发生变化，因此对从电源单元向空腔单元提供的电流进行控制来控制光功率。
如果在电源单元中将AC输入电压设为A、将发光元件的正方向电压设为Vf，则关于空腔单元中能够串联连接的发光元件的数量N，需要设为A×21/2≥Vf×N。因此，为了增加发光元件的个数以获得所需的光功率，需要将发光元件并联连接。一般来说，发光元件的故障以短路的形式发生。因此，在该结构中，存在以下这样的问题：在任一个发光元件发生破损(短路)时装置的运行都会停止。
日本特开2013-175562号公报记载了以下结构：在具有向灯提供用于激光输出的主电流的主电路和提供闪烁(shimmer)电流的闪烁电路的激光电源装置中降低开关损耗，并且即使在半导体元件发生了故障的情况下印刷电路板也不破损。日本特开2013-175562号公报没有记载多列的发光元件，日本特开2013-175562号公报所记载的闪烁电路是与主电路本质上不同的电路。
日本特开2014-232692号公报记载了如下技术：为了即使对包括低电压卤光灯用的电子变压器的控制装置连接使发光元件点亮的照明装置也稳定地动作，而以串联的方式构成两段开关调节器。日本特开2014-232692号公报没有记载多列的发光元件。
期望在激光电源装置中能够容易地增加所搭载的发光元件的个数，即使在哪个发光元件发生破损(短路)时装置也能够继续运行。
发明内容
本发明的目的在于，实现能够以低成本增加所搭载的发光元件的个数且发光元件的破损的影响小的激光电源装置。
在本发明所涉及的激光电源装置中，针对整流电路并联连接多个子开关调节器，对多个子开关调节器各自的输出部串联连接一列发光元件。
即，激光电源装置的特征在于，具备电源单元和发光单元，该电源单元具有被输入交流电压的电压输入部、对交流电压进行整流的整流电路以及多个子开关调节器部，多个子开关调节器部并联连接于整流电路的输出，发光单元具有多个子发光单元，各子发光单元具有将多个发光元件串联连接而成的一列发光元件列，从多个子开关调节器部分别向一列发光元件列提供电流，各子开关调节器部具有开关电路、平滑电路、检测输出电流的电流检测电路、以及基于电流指令值和检测出的输出电流来控制开关电路的控制电路。
电源单元的电压输入部、整流电路以及多个子开关调节器部搭载在同一电源印刷电路板上。
电源单元具有将整流电路和多个子开关调节器部的功率元件共同冷却的电源冷却板。
电源印刷电路板和电源冷却板收容于电源壳体框。
发光单元的多个子发光单元的发光元件直接搭载在同一发光部冷却板上。
发光部冷却板收容于发光部壳体框。
电源单元还具有被输入向多个子开关调节器部的电流指令值的电流指令值输入部，电流指令值输入部被分别输入向多个子开关调节器部的电流指令值，或者经由共用的端子以时间分割的方式被输入向多个子开关调节器部的电流指令值。
附图说明
通过参照以下的附图，会更明确地理解本发明。
图1是示出第一实施方式的激光电源装置的结构的图。
图2是示出第一实施方式的激光电源装置的壳体框的结构例的图。
图3是示出第二实施方式的激光电源装置的结构的图。
图4是示出现有例的一般的激光电源装置的结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明对多个发光元件进行控制的激光电源装置。然而，关于本发明，希望理解为不限定于附图或以下所说明的实施方式。
在说明本发明的实施方式之前，对现有例的激光电源装置进行说明。
图4是示出以往的一般的激光电源装置的结构例的图。
一般的激光电源装置100具有电源单元110和发光(空腔)单元150。电源单元110具有：电压输入部，其包括被输入三相AC电流的端子111至113；电流指令值输入部，其包括从外部的电流指令部140输入电流指令值的输入端子114；对三相AC电流进行整流的整流电路120；开关调节器部130；以及DC输出部，其具有输出DC电流的端子116和117。图示的整流电路120具有6个二极管和电容元件。开关调节器部130具有开关电路131、电感元件(线圈)132、电容元件133、电流检测电路134以及控制电路135。开关电路131具有开关用晶体管和二极管。开关用晶体管根据来自控制电路135的控制信号而导通截止，与二极管协作地生成充电电流。包括电感元件132和电容元件133的平滑电路基于充电电流在电容元件133的两端生成DC电压。电容元件133从端子116和117输出DC电流。电流检测电路134对输出的DC电流的电流值进行检测，控制电路135基于检测出的电流值和电流指令值来生成开关用晶体管的控制信号。整流电路120和开关调节器部130是公知的电路，省略进一步的说明。
空腔单元150具有通过线缆而与电源单元110的端子116和117连接的端子153和154、以及连接在端子153和154间的一个以上的发光元件列160A、160B、…。在连接多个发光元件列160A、160B、…的情况下，以并联的方式连接。空腔单元150具有半导体激光器或LED来作为发光元件，利用半导体激光器或LED所产生的光对激光振荡器进行激励。
LED、半导体激光器等发光元件输出的光强度(光功率)与电流相应地发生变化。发光元件的端子间(正方向)电压Vf与制造偏差、温度等环境要因相应地发生变化，因此对从电源单元110向空腔单元提供的DC电流值进行控制来控制光功率。
在开关调节器部130中，控制电路135基于电流检测电路134所检测出的电流值和从电流指令值输入部输入的电流指令值来生成开关用晶体管的控制信号。控制信号是用于使晶体管导通截止的信号，DC电流值是由规定周期长中的导通期间的比例(占空比)决定的。因而，控制电路135生成调整了占空比的控制信号，以获得与电流指令值相应的DC电流值。此外，图4中，电流指令值的输入端子114是以一根线示出的，但是将其设为具有与表示电流指令值的比特数相同数量的端子。另外，在来自电流指令部的指令是模拟信号的情况下，即使具有两个端子(基准与峰值)也能够实现。这一内容在以后的说明中也是同样的。
电源单元110的电路部件安装在印刷电路板上，该印刷电路板收容在壳体框内。另外，空腔单元150内的发光元件安装在冷却板上并收容在壳体框内。它们的制造、破损时的修理更换是以电源单元和空腔单元为单位进行处理的。
如果将电源单元中的AC输入电压设为A、将发光元件的正方向电压设为Vf，则关于空腔单元中能够串联连接的发光元件的数量N，需要设为A×21/2≥Vf×N。因此，在增加发光元件的个数以使空腔单元所输出的光功率增加的情况下，一般是增加并联连接在端子153与154间的发光元件列的列数，或者不增加并联数而增加电源单元和空腔单元的组数。此外，也考虑增加收容在壳体框内的电源单元和空腔单元的个数。
上述的两个方法的优点在于，电源的电路结构和控制方法简单。但是，增加并联连接的发光元件列的列数的方法存在如果所连接的全部的发光元件中的哪怕一个发生破损则完全无法进行发光这样的问题，且存在发光元件破损的风险较大这样的问题。完全无法进行发光的理由在于，通常发光元件在发生了破损的情况下处于短路(short)状态，因此过电流流过电源单元，激光电源装置进行警报停止。当处于这样的状态时运行变得困难，直到成为能够再运行的状态为止的停止时间(停机时间)变长。
另外，增加电源单元和空腔单元的组数的方法存在装置的成本变高这样的问题。增加收容在壳体框内的电源单元和空腔单元的个数的方法存在如下问题：框不增加但其它的部件全部增加，因此装置的成本仍然变高，单元变得大型，作为制造、维护单位难以进行处理。
利用以下所说明的实施方式的激光电源装置，能够以低成本增加所搭载的发光元件的个数且使发光元件的破损的影响变小。
图1是示出第一实施方式的激光电源装置的结构的图。
第一实施方式的激光电源装置1具有电源单元10和发光(空腔)单元50。电源单元10具有包括端子11至13的电压输入部、包括从外部的电流指令部40输入电流指令值的输入端子14和15的电流指令值输入部、整流电路20、第一子开关调节器部30A、第二子开关调节器部30B、具有端子16和17的第一DC输出部、以及具有端子18和19的第二DC输出部。整流电路20具有6个二极管21至26和电容元件27。2个二极管21和22、23和24、25和26分别串联连接而形成三列二极管列，三列二极管列在高电位线与低电位线之间并联连接。各列二极管的连接节点分别与端子11至13连接。电容元件27并联连接在高电位线与低电位线之间。这种整流电路20是公知的电路，因此省略进一步的说明。
第一子开关调节器部30A和第二子开关调节器部30B具有与图4的开关调节器部30同样的结构，并联连接于整流电路20的输出。第一子开关调节器部30A的输出与第一DC输出部的端子16和17连接，第二子开关调节器部30B的输出与第二DC输出部的端子18和19连接。第一子开关调节器部30A的控制电路35A基于从电流指令值输入部的端子14输入的电流指令值和电流检测电路34A所检测出的输出电流值来生成开关电路31A的晶体管的控制信号。第二子开关调节器部30B的控制电路35B基于从电流指令值输入部的端子15输入的电流指令值和电流检测电路34B所检测出的输出电流值来生成开关电路31B的晶体管的控制信号。开关调节器的结构和动作是公知的结构和动作，因此省略详细的说明。
空腔单元50具有通过线缆而与电源单元10的端子16和17连接的端子53和54、通过线缆而与电源单元10的端子18和19连接的端子55和56、连接在端子53与54间的一列发光元件列50A、以及连接在端子55与56间的一列发光元件列50B。在该例中，发光元件列50A具有串联连接的两个发光元件51A和52A，发光元件列50B具有串联连接的两个发光元件51B和52B。在此，有时将发光元件列50A和50B称为子发光(空腔)单元。
图2是示出第一实施方式的激光电源装置的壳体框的结构的俯视图和主视图，为了易于理解，在俯视图中以去除了上表面的框的状态示出，在主视图中以去除了正面的框的状态示出。
电源单元用壳体框60具有安装有电路部件的印刷电路板61、冷却板63、以及对冷却板63进行冷却的冷却机构64。构成图1的整流电路20、第一子开关调节器部30A以及第二子开关调节器部30B的电路部件如图示那样安装在印刷电路板61上。构成整流电路20、第一子开关调节器部30A以及第二子开关调节器部30B的电路部件中的二极管和晶体管等功率元件62以其上表面与冷却板63接触的方式配置。印刷电路板61、冷却板63以及冷却机构64由整流电路20、第一子开关调节器部30A以及第二子开关调节器部30B中共用。
对电源单元用壳体框60设置输出DC电流端子65和66，输出DC电流端子65通过线缆等而与端子16和17连接，输出DC电流端子66通过线缆等而与端子18和19连接。此外，图中输出DC电流端子65和66以一个端子示出，但是各自具有两个电极端子。或者65和66也能够汇集为具有四极的一个端子。此外，电源单元用壳体框60具有与端子11至13连接的三相AC电源用的端子、以及与电流指令值输入部的端子14和15连接的端子，省略图示。
空腔单元用壳体框70具有安装有发光元件的冷却板73和对冷却板73进行冷却的冷却机构74。构成图1的发光元件列50A和50B的发光元件如图示那样安装在冷却板73上。构成发光元件列50A和50B的发光元件51A、52A、51B以及52B为功率元件，在图2中以功率元件72示出。功率元件72安装于冷却板73而被直接冷却。冷却板73和冷却机构74由发光元件列50A和50B中共用。
对空腔单元用壳体框70设置输入DC电流端子75和76，输入DC电流端子75通过线缆等而与端子53和54连接，输入DC电流端子76通过线缆等而与端子55和56连接。此外，图中输入DC电流端子75和76以一个端子示出，但是各自具有两个电极端子，或者75和76也能够汇集为具有四极的一个端子。并且，电源单元用壳体框60的输出DC电流端子65和66通过线缆81和82而与空腔单元用壳体框70的输入DC电流端子75和76连接。
如上述那样，在第一实施方式的激光电源装置中，整流电路20为一个，两个子开关调节器部30A和30B以共用整流电路20的方式连接，两个子开关调节器部30A和30B分别基于电流指令值来对向空腔单元50的两个发光元件列50A和50B提供的DC电流进行控制。在此，对设置有两个子开关调节器部30A和30B的例子进行了说明，但是也可以设置三个以上的子开关调节器部且在空腔单元50中也设置三个以上的发光元件列，在该情况下也是共用一个整流电路。
因而，在第一实施方式的激光电源装置中，在电源单元10中，壳体框60、整流电路20、印刷电路板61以及冷却板63(冷却机构64)是共用的，与如现有例那样单纯地增加电源单元数的情况相比，能够以低价构成装置。同样地，关于空腔单元50也同样，壳体框70和冷却板73(冷却机构74)是共用的，能够以低价构成装置。
与各子开关调节器部的DC输出部连接的发光元件列只有一列，即使在其它发光元件列的发光元件发生了破损的情况下也能够驱动。换句话说，空腔单元50内的多个发光元件列相互独立，破损不会相互影响。这样，能够降低发光元件破损时的风险，能够利用由没有破损的发光元件列产生的光对激光振荡器进行激励来继续运行。
并且，各子开关调节器部所驱动的发光元件列只有一列，能够进行反馈控制使得提供与电流指令值对应的电流，能够根据电流指令值来单独地对流过各发光元件列的电流进行控制。由此，能够提高激光振荡器低输出时的控制性。
图3是示出第二实施方式的激光电源装置的结构的图。
关于第二实施方式的激光电源装置2，代替从外部的电流指令部41输入电流指令值的输入端子14和15，电源单元10X具有输入端子42和43，对从输入端子42向控制电路36A的电流指令值的路径设置开关SWA，对从输入端子43向控制电路36B的电流指令值的路径设置开关SWB，设置有被从电流指令部41输入开关SWA和SWB的切换信号的端子44和45，以上各点与第一实施方式的激光电源装置1的不同，其它部分相同。
电流指令部41与开关SWA和SWB的切换信号同步地以时间分割的方式向共用的信号线输出电流指令值。在向第一子开关调节器部30A输出电流指令值时，输出用于连接开关SWA并切断开关SWB的切换信号，之后输出电流指令值。与此相应地，第一子开关调节器部30A的控制电路36A接收电流指令值并存储于内部的存储器(寄存器)，以后基于该电流指令值和检测出的电流值来生成控制信号。在向第二子开关调节器部30B输出电流指令值时，输出用于切断开关SWA并连接开关SWB的切换信号，之后输出电流指令值。与此相应地，第二子开关调节器部30B的控制电路36B接收电流指令值并存储于内部的存储器(寄存器)，以后基于该电流指令值和检测出的电流值来生成控制信号。控制电路36A和36B的控制程序除了电流指令值的接收处理以外，与第一实施方式的控制电路35A和35B相同。
第二实施方式的激光电源装置具有与第一实施方式同样的优点。
以上，对第一实施方式和第二实施方式的激光电源装置进行了说明，但是能够有各种变形例，这是不言而喻的。
整流电路20、第一和第二子开关调节器部30A和30B的结构也可以使用其它的公知结构。
并且，空腔单元50中的在发光元件列中串联连接的发光元件数应该根据第一和第二子开关调节器部30A和30B所输出的DC电压来确定。
根据本发明，在发光元件发生了破损的情况下，能够利用没有破损的子发光单元运行装置，相比于单纯地增加单元数，能够以低价构成装置。而且，通过电流指令值单独地对各子开关调节器部的控制电路进行控制，由此低输出的控制性提高。

Claims (4)

1.一种激光电源装置，其特征在于，具备：
电源单元和发光单元，该电源单元具有被输入交流电压的电压输入部、对所述交流电压进行整流的整流电路以及多个子开关调节器部，
所述多个子开关调节器部并联连接于所述整流电路的输出端，
所述发光单元具有多个子发光单元，
各子发光单元具有将多个发光元件串联连接而成的一列发光元件列，从所述多个子开关调节器部分别向所述一列发光元件列提供电流，
各子开关调节器部具有开关电路、平滑电路、检测输出电流的电流检测电路、以及基于电流指令值和检测出的输出电流来控制所述开关电路的控制电路，
所述电源单元的所述电压输入部、所述整流电路以及所述多个子开关调节器部搭载在同一电源印刷电路板上，
所述电源单元具有将所述整流电路和所述多个子开关调节器部的功率元件共同冷却的电源冷却板，所述电源印刷电路板和所述电源冷却板收容于电源壳体框，
所述发光单元具有搭载所述多个子发光单元并将所述多个子发光单元的所述发光元件共同冷却的发光部冷却板，所述发光部冷却板和所述多个子发光单元收容于发光部壳体框。
2.根据权利要求1所述的激光电源装置，其特征在于，
所述电源单元还具有向所述多个子开关调节器部输入所述电流指令值的电流指令值输入部。
3.根据权利要求2所述的激光电源装置，其特征在于，
所述电流指令值输入部向所述多个子开关调节器部分别输入所述电流指令值。
4.根据权利要求2所述的激光电源装置，其特征在于，
所述电流指令值输入部经由共用的端子以时间分割的方式向所述多个子开关调节器部输入所述电流指令值。
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